基于TAAM仿真平台和交通流特征识别的航路交叉口通行能力研究

The traffic capacity of the air route intersection has become the major constraint for the airspace operation efficiency in China. This project focuses on the systematic research on the traffic capacity of the air route intersection. Firstly, a route traffic flow model will be established based on the analysis of actual radar flight track data. The radar track data will be clustered, the traffic flow characteristics will be identified and extracted, and the relationship between characteristic parameters and the sensitivity of each parameter will be analyzed. Secondly, a 3-D airspace model with multiple actual route intersections will be constructed on TAAM simulation platform, through which, the actual airspace operation can be simulated with different combinations of route traffic flow characteristic parameters as inputs. Thirdly, a test environment will be designed and assessment indicators will be chosen to study the different traffic capacities of route intersections under different conditions, namely the designed capacity under different route structure parameters like the crossing angles between routes, the basic capacity under the constraint of operation rules and the air traffic controller workload, the interrupted capacity under the influence of severe weather and the collaborative capacity with the optimized allocation of flight levels. Finally, the calculation models and corresponding algorithms for the above mentioned flow capacities will be presented. The research results will be a good supplement for air traffic flow theory, and the models and algorithms presented can be readily applied to solve challenging problems faced by civil aviation industry.

空中航路交叉口的通行能力已成为当今中国民航空域运行的瓶颈，迫切需要提高航路交叉口的运行效率。本项目提出对航路交叉口通行能力进行系统研究。首先对航路中航空器实际飞行的雷达轨迹数据进行解析和聚类，对交通流运行特征进行识别和提取，对各特征参数之间的关系和灵敏度变化进行分析，建立航路交通流模型；其次，在TAAM仿真平台上以真实空域结构为样板，构建包含多个航路交叉口的三维空域模型，在仿真平台上通过改变航路交通流模型的参数，输入多种典型交通流，模拟实际空域运行过程；然后，设计测试环境和评估指标，研究航路交叉口的随交叉角度等结构参数变化的设计通行能力、一定运行规则和管制员工作负荷约束下的基本通行能力、受恶劣天气等因素影响下的受扰通行能力、航路高度层优化分配后的协同通行能力；最终给出这四种通行能力的计算模型和相应算法。研究成果是对空中交通流理论的有力补充，模型和算法可直接应用于民航解决热点难点问题。

空中航路交叉口的通行能力已成为当今中国民航空域运行的瓶颈，迫切需要提高航路交叉口的运行效率。本项目提出对航路交叉口通行能力进行系统研究。项目主要研究了五个问题，分别是航空器实际飞行的雷达轨迹数据的解析和聚类方法、航路交叉口的设计通行能力计算模型和计算方法、航路交叉口的基本通行能力计算模型和计算方法、航路交叉口的受扰通行能力计算模型和计算方法、航路交叉口的协同通行能力计算模型和计算方法。通过研究，项目组提出了对整个空中交叉点基于复杂度和安全风险的分级指标体系，给出了航路交叉口的量化设计方法，给出了雷达数据处理时的收缩型聚类模型，提出了基于特征航迹简化模型的中心航迹提取方法，引入时间窗分割概念提出对轨迹聚类的LOFC算法。分析了航路交叉点的物理结构对通行能力的影响，考虑航路交叉口的物理结构与实时航班流量分布建立了航路交叉点的复杂度模型，提出了从结构复杂度和运行复杂度两方面建模计算交叉口基本通行能力。研究了管制员的疲劳评估、管制员管制水平和情景意识水平评估，分析其对基本通行的影响，重点研究了恶劣天气的不同位置、不同影响范围、不同运行情况对航路交叉口通行能力的影响，给出了受扰通行能力的计算方法。最后基于动态网络流理论，将航空器分类，设计费用函数、阻抗函数，考虑航路容量、扇区容量、管制员负荷、网络连通性、天气影响等等因素，构建算法，给出了不同情况下协同通行能力的优化模型和计算方法。共发表论文36篇，其中北大版中文核心期刊文章19篇，EI检索文章4篇，SCI检索文章6篇。研究成果可应用于我国的空中交通流量管理系统中，为加速空中流量、提高空域使用效率提供帮助。